礦產(chǎn)廢棄物對混凝土力學性能的影響

供　稿|王茂桑 / WANG Mao-sang

礦產(chǎn)廢棄物對混凝土力學性能的影響

供稿|王茂桑 / WANG Mao-sang

內(nèi)容導讀

煤矸石作為金屬礦物開采過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，通過一定的化學工藝，可以轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘牡V物質(zhì)材料——偏高嶺土。將其作為外摻劑加入混凝土中，利用無側(cè)限抗壓強度實驗，對偏高嶺土改性混凝土的強度的影響因素、荷載-變形曲線、破壞形式進行了實驗分析。發(fā)現(xiàn)隨著偏高嶺土摻量的增加，改性混凝土的抗壓強度先增加后降低，存在一個最優(yōu)偏高嶺土摻量；偏高嶺土的加入使得混凝土的破壞形式由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘浧茐?。該實驗為偏高嶺土在水泥樁中的應用和研究提供了一定的參考依據(jù)。

混凝土攪拌樁是以混凝土為固化劑，利用深層攪拌機械，就地將地基土與固化劑進行強制攪拌，通過混凝土與土體的一系列物理-化學變化，形成具有一定整體性、強度和水穩(wěn)定性的樁體，從而達到加固軟弱土體的目的。因而，混凝土性能的好壞直接影響到建筑物的安全和使用壽命。在混凝土中加入一定量的摻合料，可以有效地改善混凝土的性能，對此，國內(nèi)學者進行了大量的實驗研究［1-5］。然而，大部分的摻合料只是從增大混凝土顆粒間的連接強度或增加混凝土的密實度中的某一方面來改善混凝土的性能，并非從其反應本身出發(fā)。

在有色金屬礦物的開采過程中，會產(chǎn)生大量的固體廢棄物。煤矸石作為其中的一種，傳統(tǒng)的方法是將其作為回填物進行二次利用。煤矸石經(jīng)過高溫煅燒等化學工藝，可以生成偏高嶺土（Metakaolin，簡寫為MK）。作為一種新型、高效的礦物摻合料，相關(guān)實驗研究［6-11］表明，偏高嶺土（MK）對混凝土的強度、滲透性、耐久性等性能有很好的改良作用。由于它本身含有大量活性的物質(zhì)，可以與混凝土水化產(chǎn)生的Ca（OH）2發(fā)生反應，加速混凝土的水化，同時生成水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠，增強顆粒間的連接強度，進一步填充了顆粒間的孔隙，從而達到增強混凝土強度的目的。從實際工程出發(fā)，選用太原地區(qū)的粉質(zhì)粘土作為材料，分析了偏高嶺土、齡期對改性混凝土抗壓強度的影響，同時結(jié)合偏高嶺土改性混凝土的荷載-變形曲線，分析了偏高嶺土改性混凝土的破壞形式。最后對偏高嶺土在混凝土中的作用機理進行了分析，為偏高嶺土改性混凝土的應用提供一定的參考價值。

實驗材料

實驗所選用的土料取自太原某工地，屬于粉質(zhì)粘土，具體物理性質(zhì)指標見表1?；炷敛捎锚{頭牌普通硅酸鹽混凝土。偏高嶺土為煤系偏高嶺土，主要成分見表2。水為普通自來水。實驗前，將土料風干、碾碎，過2.5 mm篩，然后密封保存。實驗時，先將土料、混凝土、偏高嶺土用砂漿攪拌機攪拌均勻，然后再加入水，保證混凝土的均勻性。

表1　土樣的物理指標

表2　偏高嶺土化學組分（質(zhì)量分數(shù)） %

實驗方法

在混凝土中，混凝土摻量占干土質(zhì)量的15%，水摻量占干土質(zhì)量的40%，保持混凝土摻量和水摻量不發(fā)生變化，偏高嶺土摻量分別占干土質(zhì)量的0%（MK0）、3%（MK3）、6%（MK6），養(yǎng)護齡期為7、14、28、60、90 d。實驗采用70.7 mm×70.7 mm× 70.7 mm的混凝土試模，每個配比，每個齡期做3個試塊，一共45個試塊。在標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護，溫度（20±1）℃，濕度98%。試塊達到設計齡期后，采用WDW-100微機控制萬能實驗機，對其進行無側(cè)限抗壓強度實驗，并對其實測的荷載-位移曲線進行保存。實驗過程中，加荷速率控制在0.1 kN/s，直至試樣發(fā)生破壞，取其破壞時的極限荷載作為其抗壓強度值。數(shù)據(jù)處理時，若每組的抗壓強度值在其平均值的15%以內(nèi)，為有效數(shù)據(jù)；若有一個不在，將其剔除；若有兩個不在，則視為無效，重新補做，直至滿足要求。

結(jié)果與分析

不同偏高嶺土摻量、不同齡期下的混凝土無側(cè)限抗壓強度實驗結(jié)果見表3。

表3為不同偏高嶺土摻量、不同齡期下的混凝土無側(cè)限抗壓強度實驗結(jié)果。在混凝土中加入一定量的偏高嶺土，能夠提高混凝土的強度。隨著偏高嶺土摻量的增大，混凝土的強度呈先增大后減小的趨勢。當偏高嶺土摻量在3%時，混凝土無側(cè)限抗壓強度達到最大，存在一個最優(yōu)偏高嶺土摻量。偏高嶺土的摻入有利于混凝土早期強度的提高。

表3　不同偏高嶺土摻量下的混凝土無側(cè)限抗壓強度

圖1　混凝土強度與偏高嶺土摻量的關(guān)系

偏高嶺土摻量對改性混凝土強度的影響

圖1為不同齡期下混凝土強度與偏高嶺土摻量之間的關(guān)系。從圖中可以看出：當齡期在7 d時，MK介于 0～3%之間的混凝土的無側(cè)限抗壓強度幾乎沒有增長，說明在MK ＜3%時，偏高嶺土對混凝土早期強度變化影響不大，偏高嶺土并沒有參與到混凝土的反應當中。在MK摻量介于3%～6%時，混凝土的無側(cè)限抗壓強度有所提升，可能是由于偏高嶺土的“填充效應”使得混凝土的抗壓強度提高。當齡期在14～28 d時，隨著偏高嶺土摻量的增加，混凝土的無側(cè)限抗壓強度也增大。當MK＞3%時，偏高嶺土對混凝土強度的增強效應明顯減緩。當齡期在60 d后，混凝土的無側(cè)限抗壓強度隨著偏高嶺土摻量的增大呈拋物線趨勢變化。當MK=3%時，混凝土無側(cè)限抗壓強度達到最大。當MK=6%時，此時混凝土的強度同不摻偏高嶺土的強度相同，是因為偏高嶺土反應后生成的鈣礬石具有膨脹作用，破壞了混凝土本身的結(jié)構(gòu)，但是由于未反應的偏高嶺土的“填充效應”，二者作用相互抵消，使得混凝土強度同不摻偏高嶺土的混凝土的強度相同。

養(yǎng)護齡期對改性混凝土強度的影響

圖2為不同偏高嶺土摻量下混凝土強度與齡期的關(guān)系。隨著齡期的增長，不同偏高嶺土摻量下的混凝土的強度均提高。

圖2　混凝土強度與齡期的關(guān)系

以90 d混凝土無側(cè)限抗壓強度作為標準值，當偏高嶺土摻量為0時，混凝土早期（T≤7 d）的抗壓強度達到標準值的31.5%，中期（7＜T＜60 d）的抗壓強度比重增長了67.5%，后期（T≥60 d）的抗壓強度比重增長了1%。當偏高嶺土摻量為3%時，早期抗壓強度達到標準值的24%，中期抗壓強度比重增長了57.6%，后期抗壓強度比重增長了18.4%。當偏高嶺土摻量為6%時，混凝土早期強度達到標準值的36.4，中期抗壓強度比重增長了60.2%，后期抗壓強度比重增長了3.4%。未摻偏高嶺土的混凝土各個齡期強度增長比重和已有文獻［12-13］基本吻合，說明該組實驗數(shù)據(jù)真實可信，具有一定的代表性。

當不摻偏高嶺土時，混凝土的強度在60 d時，已經(jīng)達到最大值，趨于穩(wěn)定。當偏高嶺土摻量為3%時，其早期強度有所降低，但是后期強度比重大，且還有繼續(xù)增長的趨勢。當偏高嶺土摻量為6%時，早期強度增長比重較大，后期仍有一定的強度增長比重，但是增長趨勢減緩。

偏高嶺土改性混凝土的荷載-位移曲線

圖4和圖5分別為齡期28、90 d不同偏高嶺土摻量的混凝土的荷載-變形曲線。圖4和圖5為實測的曲線，未作任何處理，曲線開始一平滑段指的是實驗機與試塊剛發(fā)生接觸，試塊并未完全受力，但是對后期曲線的斜率，以及極限抗壓強度沒有影響。從圖中可以看出，混凝土試塊在加載過程中，荷載-變形曲線大致分為四個階段。第一階段：a—b，這個階段的曲線呈現(xiàn)下凹的形狀，這是因為孔隙在受到外力的作用下，會發(fā)生閉合，使得顆粒與顆粒之間的著力點增多，受力面積增大。第二階段：b—c，彈性變形階段，荷載隨著變形的增大而線呈線性增長的趨勢，顆粒與顆粒之間的凝膠發(fā)生變形；第三階段，c—d，隨著變形的增加，荷載增長速率變緩，并逐漸達到最大值，試塊中的剪力超過顆粒之間的粘結(jié)力和摩擦力，使得試塊發(fā)生破壞；第四階段：d以后，變形迅速增大，荷載減小，此時試塊還能承受一部分殘余荷載。

圖3　28 d混凝土荷載-變形曲線

圖4　90 d混凝土荷載-變形曲線

在圖4中，MK3的ab段較長，是因為微孔比較多，MK6的ab段同MK0的ab段相差不大，是因為MK摻量較多，火山灰效應產(chǎn)生大量的鈣礬石，使得微孔被填充，相對數(shù)量減少。在bc段，MK3、MK6的斜率近似一樣，“變形模量”相等，MK0的稍微顯小，是因為MK3、MK6在28 d時，混凝土的水化作用和偏高嶺土的火山灰效應同時進行，產(chǎn)生的凝膠較多，故“變形模量”較大。在圖5中，MK3曲線上的bc段的斜率明顯大于MK0和MK6的斜率，是由于混凝土的水化反應和偏高嶺土的二次反應產(chǎn)生大量的凝膠和晶體，增大了混凝土的“變形模量”，而MK0和MK6的斜率相同，是因為偏高嶺土對混凝土的膨脹作用與“填充效應”相互抵消，使得MK0和MK6的“變形模量”相同。

偏高嶺土改性混凝土的破壞形式

在試塊加載過程中，首先在表面靠近棱的部位出現(xiàn)豎向裂紋，裂紋逐漸擴展，上下延伸，同時，試塊的棱角上出現(xiàn)斜向的裂紋，斜向的裂紋與豎向的裂紋逐漸貫通，混凝土剝落，最終導致試塊發(fā)生破壞，破壞面與水平面成一定夾角，破壞面基本呈圓弧狀，表面凹凸不平。圖3分別為偏高嶺土摻量0、3%、6%的混凝土破壞后的圖片。從圖中，可以看出，隨著偏高嶺土摻量的增加，破壞面與水平面夾角在增大。破壞模式由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘浧茐模@是因為隨著偏高嶺土摻量的增加，二次反應生成的凝膠增多，顆粒間的粘結(jié)力增強，內(nèi)摩擦力增大，使其抗剪強度增大，剪切面發(fā)生改變，從而提高其抗壓強度。

偏高嶺土作用機理

從圖1和圖2中未摻偏高嶺土的混凝土和摻偏高嶺土混凝土的強度的對比，現(xiàn)將混凝土和偏高嶺土在混凝土試塊的硬化過程中各個齡期二者所起的作用概括如下：當齡期在7 d以內(nèi)時，以混凝土的水化反應為主；當齡期在7～60 d之間時，混凝土的水化反應和偏高嶺土的火山灰效應二者相互作用、共同進行；當齡期大于60 d后，混凝土的水化作用趨于完成，這個階段主要是偏高嶺土的填充效應起作用。

圖5　混凝土破壞后形態(tài)

結(jié)束語

將偏高嶺土加入混凝土中，通過無側(cè)限抗壓強度實驗，對偏高嶺土改性混凝土的無側(cè)限抗壓強度以及改性混凝土的破壞形式進行了分析。同時，通過比較不同齡期下改性混凝土強度增長比重，對混凝土、偏高嶺土在各個齡期的作用進行了定性的分析。

1） 混凝土的強度隨著偏高嶺土摻量的增加呈現(xiàn)拋物線增長趨勢。當偏高嶺土摻量為3%時，混凝土的抗壓強度達到最大值。

2） 在混凝土中摻入一定量的偏高嶺土后，混凝土的破壞形式是由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘浧茐摹?/p>

3） 混凝土的早期強度主要是混凝土的水化作用提供，中期的強度是由混凝土的水化作用和偏高嶺土的火山灰效應二者共同作用產(chǎn)生的，后期的強度由偏高嶺土的填充效應提供。

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Infl uence of Mineral Waste on Cement-soil Mechanical Performance

10.3969/j.issn.1000-6826.2016.05.02

王茂桑（1963—），男，山西省建筑科學研究院高級工程師，主要從事地基基礎處理等工作。通信地址：030001 山西省太原市山右巷10號，E-mail：642814214@ qq.com。

山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001